(57)【要約】【課題】吐出された液状体が良好に分離される液滴吐出装置を提供する。【解決手段】本発明の液滴吐出装置は、ノズル１２５を開口したノズルプレート１２１と、ノズレプレート１２１上に設けられ、貯留室１２２、リザーバ１２４、及び供給路１２３を有する流路形成基板１２７と、流路形成基板１２７の上に設けられ、ノズル１２５と中心が一致するニードル１２６を有する振動板１２８と、振動板１２８の上でかつ貯留室１２２の上部に設けられ、下部電極１２９ａ、圧電素子１２９ｂ、及び上部電極１２９ｃからなる圧電駆動素子１２９と、を備える。ニードル１２６の先端は、圧電駆動素子１２９による上下振動により、ニードル１２６が下にきた状態でノズル１２５に挿通される挿通部を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルを開口したノズルプレートと、
前記ノズレプレート上に設けられ、貯留室、リザーバ、及び供給路を有する流路形成基板と、
前記流路形成基板の上に設けられ、前記ノズルと中心が一致するニードルを有する振動板と、
前記振動板の上でかつ前記貯留室の上部に設けられ、下部電極、圧電素子、及び上部電極からなる圧電駆動素子と、を備え、
前記ニードルの先端は、前記圧電駆動素子による上下振動により、該ニードルが下にきた状態で前記ノズルに挿通される挿通部を有することを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項２】
前記挿通部は、前記ノズルの軸方向に直交する断面の外寸が、前記ノズルにおける前記貯留室と反対側の開口に向かうにつれて小さくなっていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項３】
前記挿通部は、該挿通部の軸方向まわりの側面の一部が前記ノズルの内壁と当接するまで前記ノズルに挿通されることを特徴とする請求項１又は２に記載の液滴吐出装置。
【請求項４】
前記挿通部の前記側面が耐磨耗処理されていることを特徴とする請求項３に記載の液滴吐出装置。
【請求項５】
前記挿通部は、前記ノズルにおける前記貯留室と反対側の開口に対面する端面を有し、該挿通部の軸方向まわりの側面が前記液状体に対して親液性になっているとともに、前記端面が前記液状体に対して撥液性になっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の液滴吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から液滴吐出装置は、画像を形成するプリンタやデバイス製造用の成膜装置として幅広い分野で用いられている。一般に、液滴吐出装置は多数の吐出ユニットを備えている。吐出ユニットは、液状体の貯留部、貯留部に通じるノズル、液状体を加圧してノズルから液滴を押し出すピエゾ素子等を備えている。
【０００３】
近年、液滴吐出法による成膜技術が注目されている。液滴吐出法によれば、膜の形成材料を含んだ微小な液滴を所望の位置に配置することが可能である。これにより、微細な膜パターンを形成することができ、フォトリソグラフィ法を用いる場合よりもパターニングが容易になる。また、膜の形成材料のムダを少なくできるので、製造コストを低くすることができる。
【０００４】
このような工業用途では、膜の形成材料として高分子ポリマーインク等の高粘度な液状体を吐出させることがある。また、画像印刷の用途でも、ＵＶインク等の高粘度な液状体を吐出させることがある。高粘度な液状体を高精細なパターンで高精度な位置に配置するためには、ノズル内のメニスカス（液面）から液状体を微小な液滴として良好に分離することが極めて重要である。
【０００５】
液滴を分離させる技術としては、特許文献１に開示されている技術が挙げられる。特許文献１の液滴吐出装置は、ノズル内に挿通されたピン状のインクガイドを備えている。インクガイドによりインク（液状体）に振動等の刺激を与えて、曳糸を分断するようになっている。
【特許文献１】特開２００５−１７８３２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献1の技術を用いると、曳糸を分断することができ、液状体を微小な液滴として分離することが可能である。しかしながら、インクガイドを振動させると、吐出された液状体が振動して飛行曲がりを生じ、着弾精度が低くなるおそれがある。また、インクガイドにより熱的な刺激を与えると、ノズル近傍で液状体の乾燥が促進され、ノズル詰りを生じるおそれがある。
【０００７】
また、インクガイドがメニスカスを貫通しており、吐出動作とともにメニスカスが変化すると、気相に曝された部分のインクガイドに液状体が付着してしまう。付着した液状体が乾燥して脱離すると、被処理基板側に異物として付着してしまうおそれがある。また、ノズル内をインクガイドが挿通しており、ノズル内のインクの流通経路が狭くなっているので、ノズル詰りを生じやすくなるおそれもある。
【０００８】
本発明は、前記事情に鑑み成されたものであって、吐出された液状体が良好に分離される液滴吐出装置を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の液滴吐出装置は、ノズルを開口したノズルプレートと、前記ノズレプレート上に設けられ、貯留室、リザーバ、及び供給路を有する流路形成基板と、前記流路形成基板の上に設けられ、前記ノズルと中心が一致するニードルを有する振動板と、前記振動板の上でかつ前記貯留室の上部に設けられ、下部電極、圧電素子、及び上部電極からなる圧電駆動素子と、を備え、前記ニードルの先端は、前記圧電駆動素子による上下振動により、該ニードルが下にきた状態で前記ノズルに挿通される挿通部を有することを特徴とする。
【００１０】
貯留室内に液状体が貯留された状態で圧電駆動素子による上下振動により貯留室の容積が減少すると、容積の減少分だけ液状体がノズルから吐出される。前記の構成によれば、液状体がノズルから吐出されるのと連動してノズル内にニードルの挿通部が挿通される。したがって、吐出された液状体と貯留室内の液状体とがノズル内にて連続した連続部分において、ノズルの軸方向に直交する断面積は、挿通部が挿通されたことにより減少する。よって、前記連続部分が切れやすくなり、吐出された液状体が液滴として分離されやすくなる。
【００１１】
以上のように本発明によれば、液状体の物性を熱により変化させることなく、先端部を分離することができるので、液状体の乾燥によるノズル詰りや液状体の変質等を生じることがなくなり、安定して吐出動作させることが可能になる。したがって、微小体積の液状体を高精度な位置に配置することができ、高精細な膜パターンや画像を形成することが可能な液滴吐出装置になる。
【００１２】
また、前記挿通部は、前記ノズルの軸方向に直交する断面の外寸が、前記ノズルにおける前記貯留室と反対側の開口に向かうにつれて小さくなっていることが好ましい。
このようにすれば、挿通部のノズル側の端部をガイドとして、挿通部を良好にノズル内に挿通させることができる。
【００１３】
また、前記挿通部は、該挿通部の軸方向まわりの側面の一部が前記ノズルの内壁と当接するまで前記ノズルに挿通されるようになっていてもよい。この場合には、前記挿通部の前記側面が耐磨耗処理されていることが好ましい。
【００１４】
挿通部の軸方向まわりの側面の一部がノズルの内壁と当接するまで、挿通部がノズルに挿通されると、当接した部分により貯留室内の液状体と吐出された液状体とが確実に分断される。したがって、吐出された液状体が良好に液滴になるとともに液滴の量が正確に規定され、高精度な吐出量で液滴を吐出させることが可能になる。
【００１５】
また、挿通部の側面が耐磨耗処理されていれば、挿通部の側面とノズルの内壁との接触による挿通部の磨耗を低減することができ、液滴吐出装置の耐久性を向上することができる。
【００１６】
また、前記挿通部は、前記ノズルにおける前記貯留室と反対側の開口に対面する端面を有し、該挿通部の軸方向まわりの側面が前記液状体に対して親液性になっているとともに、前記端面が前記液状体に対して撥液性になっていることが好ましい。
このようにすれば、吐出された液状体において端面との接触部は、端面が撥液性になっているので端面ではじかれるとともに、側面が親液性になっているので端面の周縁部側に引張られる。また、吐出された液状体は端面から離れる方向に移動するので、接触部は端面から離れる方向にも引張られる。このように接触部が２方向から引張られることにより格段に切断されやすくなるので、吐出された液状体が確実に分離される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の一実施形態を説明するが、本発明の技術範囲は以下の実施形態に限定されるものではない。以降の説明では図面を用いて各種の構造を例示するが、構造の特徴的な部分を見やすくするために、構造の寸法や縮尺を実際の構造と適宜異ならせて図示する。
【００１８】
図１は、本実施形態の液滴吐出ヘッド（液滴吐出装置）を備えた成膜装置の構成を示す概略斜視図である。この成膜装置は、液滴吐出法により液状体を被処理基板に配置するものである。配置される液状体は、膜材料等の固形分を含有しており、乾燥させると固形分が残留するものである。すなわち、ここでいう液状体は、固形分を分散媒（溶媒）に分散（溶解）させた分散液（溶液）等である。液状体の具体例としては、顔料や染料等を含んだカラーフィルタ材料や、ＵＶインク、金属配線等の導電膜パターンの形成材料である金属粒子を含んだコロイド溶液等が挙げられる。
【００１９】
このような液状体は、例えば粘度が常温で１０〜３０ｃＰ程度であり、高粘度である。また、常温で粘度が３０ｃＰを超える液状体であって、吐出時に加熱して粘度を低下させて用いるものもある。高粘度な液状体は、吐出された後にメニスカスとの間に糸状の尾を曳くので、メニスカスから分離されにくい。本実施形態では、前記のような高粘度な液状体を膜材料に用いる成膜装置として、カラーフィルタ製造用の成膜装置１を説明する。
【００２０】
図１に示すように、成膜装置１は、支持台１０上に設けられたワークステージ１１と、ワークステージ１１よりも高い位置に設けられた液滴吐出ヘッド１２とを備えている。ワークステージ１１の上面には、被処理基板Ｗを載置することが可能になっている。ワークステージ１１及び液滴吐出ヘッド１２は、図示略の制御装置により位置制御される。また、前記の制御装置は、液滴吐出ヘッド１２の吐出動作を制御するようになっている。以上のような構成により、被処理基板Ｗを走査しつつ液滴吐出ヘッド１２から被処理基板Ｗの所定の領域に液状体を配置することが可能になっている。
【００２１】
以下、図１に示したＸＹＺ直交座標系に基づいて説明する。このＸＹＺ直交座標系において、Ｘ軸及びＹ軸がワークステージ１１の面方向と平行となっており、Ｚ軸がワークステージ１１の面方向と直交している。実際には、ＸＹ平面が水平面に平行な面に設定されており、Ｚ軸が鉛直上方向に設定されている。成膜時には、例えば主走査方向に沿って液状体を配置した後に副走査方向の位置を調整し、再度、主走査方向に沿って液状体を配置する。ここでは、ワークステージ１１の移動方向であるＸ軸方向が主走査方向、液滴吐出ヘッド１２の移動方向であるＹ軸方向が副走査方向に設定されている。
【００２２】
ワークステージ１１は、真空吸着装置（図示略）等を備えており、載置された被処理基板Ｗを着脱可能に固定することができる。ワークステージ１１には、ステージ移動装置１１１が設けられている。ステージ移動装置１１１は、ボールネジまたはリニアガイド等の軸受け機構を備え、前記の制御装置から入力される制御信号に基づいて、ワークステージ１１をＸ軸方向に移動させる。これにより、載置された被処理基板ＷをＸ方向の所定の位置に移動させることができる。
【００２３】
成膜装置１は、３種類（赤・緑・青）のカラーフィルタ材料の各々に対応して、３つの液滴吐出ヘッド１２を備えている。３つの液滴吐出ヘッド１２は、いずれもキャリッジ１３に取付けられており、キャリッジ１３には、キャリッジ移動装置１３１が設けられている。キャリッジ移動装置１３１は、前記の制御装置から入力される制御信号に基づいて、キャリッジ１３をＸ方向やＹ方向に移動させる。これにより、液滴吐出ヘッド１２をＸ方向やＹ方向の所定の位置に移動させることができる。
【００２４】
３つの液滴吐出ヘッド１２の各々は、複数の吐出ユニット（後述する）を備えている。吐出ユニットの各々は、前記の制御装置からの描画データや制御信号に基づいて、液状体を吐出する。３種類のカラーフィルタ材料である３種類の液状体は、それぞれタンク１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに貯留されている。貯留された液状体は、その種類ごとにチューブ群１４１を通って、対応する液滴吐出ヘッド１２に供給される。
【００２５】
図２（ａ）〜（ｃ）は液滴吐出ヘッド１２の概略構成を示す図である。図２（ａ）は液滴吐出ヘッド１２において被処理基板Ｗとの対向面を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ’線矢視断面図、図２（ｃ）は、ニードルとノズルとを拡大して示す断面図である。
【００２６】
図２（ａ）に示すように液滴吐出ヘッド１２は、主走査方向（Ｘ軸方向）と略直交して配列された複数の吐出ユニットＵを備えている。複数の吐出ユニットＵで共通のノズルプレート１２１が設けられている。ノズルプレート１２１には、吐出ユニットＵごとにノズル１２５が設けられている。ノズル１２５は、吐出ユニットＵの配列方向（Ｙ方向）に沿って配列されている。
【００２７】
ノズル１２５は、液状体の貯留室１２２と連通している。貯留室１２２は、液状体の供給路１２３を経て複数の吐出ユニットＵで共通のリザーバ１２４と連通している。供給路１２３の詳細な形状を図示しないが、貯留室１２２からリザーバ１２４に液状体が逆流しないようになっている。リザーバ１２４は、図１に示したチューブ群１４１のいずれかと接続されている。吐出ユニットＵから吐出される液状体は、タンク１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃからチューブ群１４１、リザーバ１２４、供給路１２３を経て貯留室１２２内に充填される。
【００２８】
図２（ｂ）に示すように吐出ユニットＵは、ノズルプレート１２１、振動板１２８、及びノズルプレート１２１と振動板１２８とに挟持された流路形成基板１２７を有している。流路形成基板１２７には、貫通孔や凹部が設けられている。この貫通孔や凹部が、ノズルプレート１２１と振動板１２８とに挟まれることにより、液状体の貯留室１２２や供給路１２３が構成されている。すなわち、振動板１２８の一部は、貯留室１２２の壁面になっている。
【００２９】
振動板１２８においてノズルプレート１２１と対面する側には、ノズル１２５と平面的に重なる位置にニードル（挿通部）１２６が設けられている。本実施形態のニードル１２６は、振動板１２８の面方向と略直交して延びている。ニードル１２６は、振動板１２８と接続された部分（以下、主部と称する）が略円柱になっており、ノズル１２５側の端部（以下、先端部と称する）が主部よりも小径の略円柱になっている。主部と先端部との間の中間部は、先端部に向うにつれて縮径する円錐台状になっている。ニードル１２６としては、耐摩耗性を確保する観点からセラミックス製やタングステンカーボン製のものが好ましい。
【００３０】
振動板１２８の貯留室１２２と反対側には、吐出ユニットごとに圧電駆動素子１２９が設けられている。本実施形態の圧電駆動素子１２９は、下部電極１２９ａ、上部電極１２９ｃ、及びこれら電極間に挟持された圧電体１２９ｂからなっている。前記した制御装置は、複数の吐出ユニットＵの各々における圧電駆動素子１２９に所定のタイミングで駆動電圧波形を供給するようになっている。
【００３１】
圧電駆動素子１２９に駆動電圧波形が供給されると、圧電駆動素子１２９の圧電体１２９ｂは、面方向に伸縮する。これにより、貯留室１２２と平面的に重なる部分の振動板１２８が面方向と直交する厚み方向に変位し、貯留室１２２の容積が変化する。また、振動板１２８が変位することにより、ニードル１２６もノズルプレート１２１に向かって変位するようになっている。
【００３２】
図２（ｃ）に示すように、本実施形態のノズル１２５の内壁は、貯留室１２２側に向うにつれて内径が大きくなるテーパ面１２５ａを有している。ノズル１２５にニードル１２６を挿通すると、テーパ面１２５ａが中間部の側壁１２６ｂと当接するようになっている。ここでは、テーパ面１２５ａを含んだノズル１２５の内壁全体と、中間部の側壁１２６ｂと、先端部の側壁とに耐磨耗コーティングされている。
【００３３】
ニードル１２６において主部の側壁１２６ａ、中間部の側壁１２６ｂ、及び先端部の側壁は親液処理されており、吐出ユニットＵから吐出される液状体に対する親液性を有している。また、先端部において、ノズル１２５の開口と対面する端面１２６ｃは撥液処理されており、吐出ユニットＵから吐出される液状体に対する撥液性を有している。
【００３４】
次に、図３（ａ）、（ｂ）を参照しつつ吐出ユニットＵの吐出動作を説明する。
図３（ａ）に示すように、吐出ユニットから液状体が吐出される前段階において、貯留室１２２には、リザーバ１２４、供給路１２３を介して液状体Ｑが充填されている。圧電駆動素子１２９の圧電体１２９ｂは放電状態になっており、ニードル１２６はノズル１２５から圧電駆動素子１２９側に離れた位置に配置されている。
【００３５】
圧電駆動素子１２９において、下部電極１２９ａと上部電極１２９ｃとの間に電圧が印加されると、圧電体１２９ｂが充電されて面方向に収縮する。これにより、図３（ｂ）に示すように振動板１２８が、振動板１２８が貯留室１２２に向かって凸となり撓曲する。これにより、振動板１２８が貯留室１２２側に向かって変位してニードル１２６がノズル１２５内に挿通されるとともに、貯留室１２２の容積が小さくなり容積減少分の液状体Ｑがノズル１２５から被処理基板Ｗ側に押し出される。
【００３６】
振動板１２８の変位量が最大になると、ニードル１２６はノズル１２５に嵌め合わされ、貯留部１２２内の液状体Ｑと、ノズル１２５から押し出された部分の液状体とが分離される。また、ニードル１２６の端面１２６ｃが液状体Ｑに対して撥液性を有しているので、ノズルから押し出された液状体は端面１２６ｃから分離され、液滴Ｑ１としてノズル１２５から吐出される。
【００３７】
以上のように、本実施形態の液滴吐出ヘッド１２にあっては、ノズル１２５から押し出された液状体がニードル１２６によりノズル１２５側から良好に分離される。したがって、吐出された液状体がノズル１２５内のメニスカスと連続すること（尾曳き）が防止され、尾曳きによる飛行曲がりが防止される。よって、飛行曲がりによる液滴Ｑの着弾誤差が低減され、高粘度な液状体であっても被処理基板Ｗの高精度な位置に配置することが可能になる。
【００３８】
また、尾曳きが防止されるので、吐出後のノズル１２５内のメニスカスに尾曳きによる歪みを生じることが防止される。したがって、次の吐出動作においてメニスカスの形状を高精度に制御することができ、ノズル１２５から良好に液状体を吐出させることができる。
【００３９】
また、吐出された液状体に振動を付与する手法と異なり、吐出された液状体にノズルプレート１２１の面方向の運動量を付与しないので、液状体を分離することにより飛行曲がりが生じてしまうことがない。
【００４０】
また、ノズル付近で液状体を局所的に加熱する手法と異なり、加熱によりメニスカス内の液状体が乾燥してノズル詰りを生じるもない。また、吐出動作後に、ニードル１２６が気液界面から貯留室１２２側に収容されるので、ニードル１２６の表面で液状体が乾燥することによるノズル詰りを生じることもない。このように、本実施形態の液滴吐出ヘッド１２にあっては、ノズル詰りを生じることが格段に低減されているので、液滴吐出ヘッド１２に安定して吐出動作させることができる。
【００４１】
なお、前記実施形態では、カラーフィルタ製造用の成膜装置を例示したが、カラーフィルタ以外の各種デバイスを製造用の成膜装置、あるいは画像印刷装置等にも適用可能である。また、インクジェット法による液滴吐出装置の他にも、サーマルインクジェット法による液滴吐出装置やディスペンサ等にも適用可能である。いずれの液滴吐出装置であっても、吐出される液状体が尾曳きを生じる程度に高粘度である場合には、本発明を適用することによりその効果を得ることができる。
【００４２】
また、ニードル１２６の側面がノズル１２５の内壁と当接するようになっていたが、ニードルがノズルの内壁と接触（当接）しない構成を採用してもよい。以下、ニードルの形状を前記実施形態と異ならせた変形例について説明する。
【００４３】
図４（ａ）、（ｂ）は、変形例１のニードル１２６の先端部とノズル１２５とを拡大して示す断面図である。図４（ｂ）には、変形例１のニードル１２６がノズル１２５に挿通された状態を示している。
【００４４】
図４（ａ）に示すように、変形例１のニードル１２６の先端部は、主部から端面１２６ｃに向かうにつれて縮径する円錐台状になっている。側面１２６ａと側面１２６ｂは、吐出される液状体に対して親液性を有しており、端面１２６ｃは撥液性を有している。
【００４５】
図４（ｂ）に示すように、変形例１のニードル１２６は、ノズル１２５に挿通された状態で、先端部の一部がノズル１２５から被処理基板Ｗ側に突出するようになっている。また、挿通された状態で側面１２６ｂとノズル１２５の内壁との間に隙間を有しており、この隙間は液状体で満たされている。
【００４６】
通常の液滴吐出ヘッドではニードルがノズルに挿通されないので、ノズルから吐出された液状体とノズル内の液状体とが、ノズルの軸方向に直交する断面全体で繋がっている。
一方、変形例１では、ノズルから吐出された液状体とノズル内の液状体とが、側面１２６ｂとノズル１２５の内壁との隙間の分だけで繋がっている。したがって、吐出された液状体とノズル内の液状体とが分離されやすくなる。このように側面１２６ｂとノズル１２５の内壁との間に隙間を設ける場合にも、端面１２６ｃに撥液性を付与しておくことにより、吐出された液状体の分離を促進することができる。
【００４７】
また、図５に示す変形例２のように先端部の中央部を凹部にすること等により、端面１２６ｃと側壁１２６ｂとの間にエッジを設けるようにすれば、吐出された液状体の分離がさらに促進される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】一実施形態の液滴吐出ヘッドを備えた成膜装置の概略斜視図である。
【図２】（ａ）は液滴吐出ヘッドの平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ’線矢視断面図、（ｃ）はノズルとニードルの拡大図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、吐出ユニットの吐出動作を示す説明図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は、変形例１の概略構成を示す断面図である。
【図５】変形例２の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１・・・成膜装置、１２・・・液滴吐出ヘッド（液滴吐出装置）、１２１・・・ノズルプレート、１２２・・・貯留室、１２５・・・ノズル、１２６・・・ニードル、１２７・・・流路形成基板、１２８・・・振動板（貯留室の壁面）、１２９・・・圧電駆動素子、Ｑ・・・液状体、Ｑ１・・・液滴、Ｕ・・・・吐出ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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